[教學] CVT（无级变速器）工作原理

有人说，年老守旧的人无法接受新事物。但无级变速器(CVT)的概念却是莱昂纳多·达·芬奇早在500多年前就已经提出了，现在，无级变速器在一些汽车中将取代行星齿轮自動變速器，从这个意义上讲，年老守旧的人却已经走在了前面。事实上，自1886年申请第一台环形CVT專利后，这项技术就已经得到了细化及改进。当今，多家汽车制造商（包括通用汽车、奥迪、本田和日产）正在围绕CVT设计动力传动系统。

[size=-1]带有Xtronic CVT的日产HR15DE发动机

在此文章中，我们将探究CVT在典型后轮驱动汽车中的作用，并在此过程中解答很多问题：

CVT与传统行星自动变速器相比如何？
它有哪些配件以及这些配件的作用？
与传统自动变速器相比，CVT有哪些优点？有哪些缺点？
驾驶一辆装有CVT的汽车，感觉如何？
哪些构造和车型采用了CVT？
除了在汽车中，CVT还有其他方面的应用吗？

现在开始了解一些变速器的基本知识。变速器的作用是改变汽车发动机和车轮之间的速比。换句话说，没有变速器的汽车只有一个档位，这个档位使汽车以期望的最高速度行驶。想象一下，您驾驶着一辆只有一档或三档的汽车，只有一档的汽车从完全停止状态正常加速，并且可以攀爬陡峭的坡地，但它的最高速度将限制在每小时几公里。另一种情况下，只有三档的汽车将以130公里/小时的速度在公路上飞驰，但在起动后，几乎没有加速度，而且不能爬坡。
因此，随着驾驶条件的更改，变速器的使用可以在从低到高的档位范围内更有效地利用发动机扭矩，并可以手动或自动控制这些档位。

[size=-2]戴姆勒-克莱斯勒公司供图
[size=-1]梅赛德斯-奔驰CLK自动变速器

在传统自动变速器中，档位实际上是齒輪，即帮助发送和修改旋转运动和扭矩的联锁齿轮。行星齿轮的组合将产生变速器能够产生的所有不同的傳動比，该组合通常包含四个前进档和一个倒档。当此类变速器循环通过其齿轮，驾驶员在每个档位啮合时会感觉到颠簸。
CVT基本知识
无级变速器与传统的自动变速器不同，它不带一组齿轮组成的齿轮箱，这意味着它没有联锁齿轮。最常见类型的CVT可以在设计精巧的皮带轮系统上操作，该皮带轮系统可以在最高档位和最低档位间提供无限的可变性，而没有不连续的步骤或换档。

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[size=-1]带有CVT的福特自由行Duratec发动机

如果您想知道为什么在CVT的解释中还是会出现“档”这个字，请记住，一般来说，档是指发动机轴转速与传动轴转速的比率。虽然CVT不使用一组行星齿轮来改变这个比率，但习惯上还是说成挂低“档”和挂高“档”。

[size=+1]无档位： CVT革新年表[size=-1]

1490年——达芬奇绘制了无级变速器的草图
1886年——申请第一台环形CVT专利
1935年——亚迪耶·道奇收到了环形CVT的美国专利证书
1939年——引入了基于行星齿轮系统的全自动变速器
1958年——达夫（荷兰人）生产出用于汽车的CVT
1989年——斯巴鲁·贾斯蒂GL是第一辆在美国生产销售的CVT汽车
2002年——带有CVT的Saturn Vue首次亮相，是第一辆使用CVT技术的Saturn
2004年——福特开始使用CVT

基于皮带轮的CVT

[size=-1]基于皮带轮的CVT

观察行星自动变速器，您会看到一个由齿轮、制动器、离合器和控制部件组成的复杂装置。比较而言，无级变速器真是简单至极。多数CVT只有三个基本部件：

高功率金属或橡胶皮带
可变输入“驱动”皮带轮
输出“从动”皮带轮

CVT还有各种微处理器和传感器，但上述三种部件是实现此项技术的关键元件。

可变直径皮带轮是CVT的核心。每个皮带轮都由两个相对的20度圆锥组成。皮带位于两个圆锥之间的凹槽中。如果皮带是橡胶的，则最好使用V型皮带。V型皮带是由于皮带的横截面为V型而得名，它可增加皮带的摩擦粘着力。
  当皮带轮的两个圆锥离的很远（即直径增大时），皮带位于凹槽中的较低位置，而围绕皮带轮转动的皮带半径将变小。当皮带轮的两个圆锥离的很近（即直径减小时），皮带位于凹槽中的较高位置，而围绕皮带轮转动的皮带半径将变大。CVT可以使用液压压力、离心力或弹簧张力来产生调整皮带轮半轴所需的力。
  可变直径皮带轮必须始终成对出现。其中一个皮带轮，称为驱动皮带轮，它连接到发动机的曲轴上。驱动皮带轮也称为输入皮带轮，因为正是通过该皮带轮将发动机的能量传输给变速器。另一个皮带轮称为从动皮带轮，这是因为要通过第一个皮带轮来转动它。从动皮带轮作为输出皮带轮，可以将能量传输给驱动轴。

[size=-1]皮带轮中心与皮带在凹槽中的接触位置之间的距离即为节圆半径。当皮带轮远离时，皮带位于较低处，且节圆半径减小。当皮带轮靠近时，皮带位于较高处，且节圆半径增加。驱动皮带轮的节圆半径与从动皮带轮的节圆半径之比决定了档位的高低。

当一个皮带轮的半径增加时，另一个皮带轮的半径将减小以保持皮带紧绷。随着两个皮带轮改变它们相互的半径，将产生了无数个传动比——从低到高的所有值。例如，当驱动皮带轮的节圆半径较小，而从动皮带轮的半径较大时，从动皮带轮的旋转速度将减小，从而产生较低的“档”。当驱动皮带轮的节圆半径较大，而从动皮带轮的半径较小时，从动皮带轮的旋转速度将增加，从而产生较高的“档”。因此在理论上，CVT在任何时候、任何发动机上或处于任何车速时都具有可以运行的无数个“档”。
  CVT的简单性和连续性使其成为适用于各种机器和设备（不仅是汽车）的理想变速器。CVT在动力工具和压钻机中的应用已有多年历史。它们还用在各种车辆中，包括拖拉机、雪地车和小型摩托车。在所有这些应用中，变速器均采用高密度橡胶皮带，它会滑动和伸展，因此会降低它们的效率。
  新材料的引进使CVT变得更可靠和高效。连接皮带轮的金属带的设计和开发是一项最重要的改进。这些柔韧的皮带由多种（通常为9或12种）薄带钢组成，这些薄带钢又由高强度、领结形的金属束集而成。

[size=-1]金属带设计

金属带不会滑动而且高度耐用，使CVT可以承受更大的发动机扭矩。此外，它们也比橡胶皮带驱动的CVT噪音更低。

环形CVT
另外一种CVT——环形CVT系统，用盘片和动力滚子代替了皮带和皮带轮。

[size=-1]日产Extroid环形CVT

虽然这种系统看起来有很大的不同，但其所有的部件都与皮带和皮带轮系统类似，所以它们是相同的装置，即无级变速器。下面是它的工作原理：

一个盘片连接到发动机上。这相当于驱动皮带轮。
另一个盘片连接到驱动轴上。这相当于从动皮带轮。
滚子或车轮位于作用类似于皮带的盘片之间，将动力从一个盘片传送到另一个盘片。

轮子可以沿两个轴旋转。它们围绕水平轴旋转并沿垂直轴内侧或外侧倾斜，这样车轮就可以接触盘片的不同区域。当车轮接触驱动盘片的中心处附近时，它们必须接触从动盘片的轮缘附近，从而降低速度并增加扭矩（即低挡）。而当车轮接触驱动盘片的轮缘附近时，它们必须接触从动盘片的中心附近，从而增加速度并减小扭矩（即超速挡）。车轮的微小倾斜将逐渐增加传动比，从而产生平稳的、几乎是瞬时的比率变化。

液压CVT
皮带轮和V型皮带CVT以及环形CVT都是摩擦式CVT，它们都是通过改变两个旋转体之间接触点的半径来起作用。还有另一种类型的CVT，称为液压CVT，它使用变排量泵来改变流入液压电机的液体量。在这类的变速器中，发动机的旋转运动可在驱动侧的液压泵上进行。该泵将旋转运动转化为液体流。然后，使用从动侧的液压电机，将液体流转换回旋转运动。

通常，液压变速器与行星齿轮组和离合器组合形成混合型系统，称为液压机械变速器。液压机械变速器可以用三种不同的模式将动力从发动机传输到车轮上。在低速时，动力通过液压传输；在高速时，动力通过机械传输。介于这两种极端情况时，变速器则采用液压和机械两种方式传输动力。液压机械变速器是重型应用的理想选择，这就是为什么它在农用拖拉机和适合各种地形的车辆中使用很普遍的原因。

无级变速器的优点使它的应用越来越普遍。它的诸多优点使它们越来越多地受到驾驶员和环保主义者的青睐。下表描述了CVT的一些重要功能和优点。
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CVT的优点
功能	优点
从完全停止到巡航速度的恒定、无级加速	消除了“换档冲击”，使驾驶更平稳
无论汽车的行驶速度有多快，都可以使汽车保持最佳的动力范围	提高了燃油利用效率
灵活地响应条件变化，如节气门和速度变化	消除了在汽车降速（尤其是爬坡时）时的齿轮抖动
CVT的动力损失比普通自动变速器更低	更平稳地加速
更好地控制汽油机的速度范围	更好地控制排放
可以结合自动机械离合器	代替低效的液力变矩器

在欧洲，带有CVT的汽车已经普及多年了。但这项技术却花了一段时间才在美国站稳脚跟。美国生产的第一辆CVT汽车是斯巴鲁Justy。

[size=-1]斯巴鲁Justy

从1989年到1993年之间，在销售上贾斯蒂一直受到美国驾驶员的冷落。那么，基于CVT的新型汽车（例如土星Vue、奥迪A4和A6、日产美伦奴和本田 Insight）有什么不同之处呢？回答该问题的最好方式是“试驾”其中的一辆车。下面的动画为比较带有CVT的汽车与不带有CVT的汽车的加速提供了一个直观的试驾体验。
  当踩下带有无级变速器汽车的加速踏板时，您就会立即感觉到差异。发动机的转动能直接上升到它产生最大功率的转速，并保持该速度。但汽车不会立即响应。过一会儿，变速器开始工作，对汽车进行缓慢、稳定的加速，而无需任何换档。理论上，带有CVT的汽车达到100公里/小时比具有相同发动机和手动变速器的相同汽车快25%。这是因为CVT将发动机运转曲线上的每一点都转化成了它本身运转曲线上的相应点。
  如果看一下不带CVT汽车的功率输出曲线，您就会发现的确如此。请注意：这种情况下的转速表显示了在每个齿轮变化时发动机的转速变化，这在功率输出曲线中记录为峰值（也就是驾驶员感觉到的颠簸）。
  CVT在爬山时同样高效。由于CVT无级地循环下降至适合于驾驶条件的传动比，因此不存在“齿轮抖动”。而传统的自动变速器要来回换档，以尝试找出合适的档位，这样就非常低效了。
  除了所有这些优点，CVT也存在一些缺点。在美国，他们正在试图克服形象问题。例如，斯巴鲁Justy被认为是不重要的微型汽车。习惯上，皮带驱动的CVT的扭矩量限制在它们可以处理的范围，它比自动和手动的变速器更大、更重。虽然CVT凭借技术优势加入了竞争（日产美伦奴的CVT可以处理3.5升、245马力V6发动机），但第一印象仍很难改变。

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